Оптимальное управление температурными режимами индукционного нагрева цилиндрических слитков с учетом технологических ограничений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Коршиков, Степан Евгеньевич

• Коршиков, Степан Евгеньевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Коршиков, Степан Евгеньевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА ДАВЛЕНИЕМ

1.1 Промышленное применение технологий электронагрева

1.2 Промышленное применение процессов сквозного индукционного нагрева заготовок перед пластической деформацией

1.3 Физические основы процесса индукционного нагрева

2 ПРОБЛЕМА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ

2.1 Основные методы и средства моделирования взаимосвязанных электромагнитных, тепловых полей и полей термических напряжений

2.2 Современное состояние проблемы моделирования полей термических напряжений в процессах индукционного нагрева

2.3 Проблема оптимизации процессов индукционного нагрева с учетом технологических ограничений

2.3.1 Критерии оптимизации процессов нагрева под пластическую деформацию

2.3.2 Современные методы оптимального проектирования и управления процессами индукционного нагрева с учетом технологических ограничений

3 НЕЛИНЕЙНЫЕ ДВУМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

3.1 Базовая математическая модель процесса индукционного нагрева

3.2 Численные модели процессов индукционного нагрева цилиндрических заготовок

3.2.1 Моделирование процесса индукционного нагрева металла в программном пакете АШУБ

3.2.2 Численная двумерная нелинейная АИБУБ модель процесса индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока

3.2.3 Численная двумерная А^УБ модель периодического процесса индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок

3.2.4 Параметрическое исследование численных нелинейных АШУЗ моделей

3.2.4.1 Исследование А^УБ модели процесса индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока

3.2.4.2 Исследование АЫБУЗ модели периодического процесса индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок

3.3 Верификация численной нелинейной двумерной А^УЭ модели процесса индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок

4 ОПТИМАЛЬНОЕ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ТОЧНОСТИ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

4.1 Двумерная задача оптимального по быстродействию и точности управления процессом индукционного нагрева с учетом технологических ограничений

4.2 Решение задачи полубесконечной оптимизации альтернансным методом

4.3 Оптимизационная процедура на базе численной модели

4.4 Решение задачи оптимального по быстродействию и точности управления процессом индукционного нагрева с учетом технологических ограничений

4.4.1 Решение задачи индукционного нагрева алюминиевых цилиндрических заготовок посредством их вращения в магнитном поле постоянного тока

4.4.2 Решение задачи оптимального по быстродействию управления процессом индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок в переменном магнитном поле

4.5 Оценка эффективности алгоритмов оптимального управления и их техническая реализация

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимальное управление температурными режимами индукционного нагрева цилиндрических слитков с учетом технологических ограничений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Повсеместное распространение и повышение доступности электрической энергии привело к тому, что в настоящее время электротехнологические установки вытесняют собой установки, использующие другие виды энергии.

Установки промышленного электронагрева различного назначения и конструктивного исполнения в последнее время становятся неотъемлемой частью производственных процессов в ключевых отраслях промышленности. На этом фоне заметна тенденция увеличения парка промышленных установок для индукционного нагрева металлических заготовок токами промышленной и повышенных частот в прессовом, прокатном и кузнечном производствах. Как правило, индукционные нагревательные установки (ИНУ) являются частью сложной производственной линии, образующей единый электротехнологический комплекс по изготовлению готовой продукции в совокупности с установками пластической деформации. Именно поэтому повышение производительности ИНУ с одновременным гарантированным обеспечением требуемого качества полуфабрикатов является одним из основных путей увеличения эффективности электротехнологических комплексов обработки металлов давлением в целом.

Одним из основных условий реализации стадии предварительного сквозного нагрева является обеспечение с определяемой технологическими допусками точностью заданных температурных кондиций металлических полуфабрикатов при предотвращении появления недопустимых термонапряженных состояний заготовок. Решение проблемы оптимизации по типовым критериям качества температурных режимов индукционного нагрева с учетом ограничений на термонапряженные состояния позволит повысить производительность ИНУ при гарантированном отсутствии дефектов микроструктуры материала и различных видов брака конечной продукции, а также приведет к повышению эффективности энергопотребления.

Данная проблема может быть решена на базе современной теории оптимального управления системами с распределенными параметрами и методов и средств численного конечно-элементного анализа полевых задач.

В развитие теории и техники оптимизации температурных режимов индукционного нагрева перед обработкой давлением большой вклад внесли А.Г. Бутковский, Э.Я. Рапопорт, В.Б. Демидович, JI.C. Зимин, А.И. Данилушкин, A.C. Васильев, B.C. Немков, М.Ю. Лившиц и др.

Созданная H.A. Умовым общая теория термоупругих явлений была развита благодаря работам М.Н. Родигина, Г.И. Бабата, И.А. Одинга, С.П. Тимошенко, Дж. Гудьера, Н.Ю.

Тайца, Б.Ф. Шорра, И.А. Биргера, Г. Паркуса, Б. Боли, С. Мэнсона и других отечественных и зарубежных ученых. Проблемам моделирования процессов индукционного нагрева металла (ПИНМ) с анализом возникающих упругих термонапряжений были посвящены работы П.М. Чайкина, Ю.И. Сосинова, С.А. Яицкова, М.Я. Смелянского и Н.Д. Морозкина, В. Андре, Р.П. Хичке, А.Б. Кувалдина, А.Р. Лепешкина и др.

Однако, в настоящее время не решен вопрос об организации температурных режимов работы ИНУ и оптимизации их конструктивных параметров в зависимости от количественных характеристик пространственно-временных распределений многомерных полей термонапряжений и упругопластических деформаций, что не позволяет осуществить техническую реализацию предварительных стадий индукционного нагрева с предельно высокими технико-экономическими показателями.

Сказанное подтверждает очевидную актуальность задач разработки проблемно-ориентированных нелинейных многомерных численных моделей, учитывающих сложное взаимодействие электромагнитных и тепловых полей, полей термонапряжений и упруго-пластических деформаций в процессах индукционного нагрева, и алгоритмов оптимального управления температурными режимами нагрева, позволяющих повысить производительность технологических линий и качество изделий при гарантированном предотвращении появления недопустимых термонапряженных состояний. Решению указанных задач и посвящена диссертационная работа.

Диссертация поддержана грантами Германской Службы Академических Обменов (DAAD) (2008, 2011, 2013 гг.) и выполнялась в рамках Федеральной целевой НИР по программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (2009-2011 гг., № темы 605/09, конкурс НК-66П), а также государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации в соответствии с планом фундаментальных НИР СамГТУ на тему: "Теория и приложения точных методов синтеза алгоритмов оптимизации объектов с распределенными параметрами, гарантирующих заданные показатели качества" (2009-2010 гг., № темы 527/09).

Целью работы является разработка проблемно-ориентированных численных двумерных электротеплопрочностных моделей и алгоритмов оптимального по быстродействию и точности управления типовыми и инновационными процессами индукционного нагрева цилиндрических слитков перед обработкой давлением с учетом основных технологических ограничений на термонапряженные состояния.

Для достижения указанной цели в диссертации решаются следующие задачи: -разработка проблемно-ориентированной численной модели полей термонапряжений и упруго-пластических деформаций в процессе нагрева алюминиевых

5

заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока, с целью анализа основных технологических характеристик инновационной энергосберегающей электротехнологии и синтеза алгоритмов оптимального по быстродействию и точности управления температурными режимами с учетом ограничений на термонапряженные состояния;

- разработка проблемно-ориентированной численной двумерной модели взаимосвязанных электромагнитных и температурных полей, полей термонапряжений и упруго-пластических деформаций в процессе периодического индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок в переменном электромагнитном поле для параметрического анализа и синтеза алгоритмов оптимального по быстродействию и точности управления температурными режимами с учетом основных технологических ограничений;

-анализ результатов численного моделирования с целью выявления степени соответствия разработанных моделей основным закономерностям поведения электромагнитных и тепловых полей, полей термонапряжений и упруго-пластических деформаций в процессах индукционного нагрева и исследования зависимости базовых характеристик температурных режимов от основных параметров индукционных нагревательных систем;

-постановка и разработка алгоритма решения двумерных нелинейных задач программного оптимального по критериям быстродействия и точности управления температурными режимами индукционного нагрева цилиндрических заготовок с учетом технологических ограничений;

-формулировка и численное решение нелинейной задачи программного оптимального по критериям быстродействия и точности управления процессом индукционного нагрева алюминиевых цилиндрических заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока, при существующих ограничениях на управляющее воздействие и максимально допустимые температуру и термонапряжение в процессе нагрева;

-формулировка и численное решение нелинейной задачи программного

оптимального по критериям быстродействия и точности управления процессом

периодического индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок при

существующих ограничениях на управляющее воздействие и максимально допустимые

термонапряжение и температурный перепад в процессе нагрева.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач

использовались методы численного и компьютерного моделирования, теории

индукционного нагрева, теории оптимального управления системами с распределенными

6

параметрами, теории электромагнетизма, теории теплопереноса, механики деформируемого твердого тела.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

-численная модель полей термонапряжений и упруго-пластических деформаций в процессе нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока, реализованная в программном пакете А^УБ и учитывающая, в отличие от известных, влияние взаимосвязанных электромагнитных и температурных полей на термонапряженные состояния заготовки, что позволяет использовать предлагаемую модель при решении задач конечно-элементного анализа и оптимального управления температурными режимами инновационной технологии индукционного нагрева с учетом основных технологических ограничений;

-численная двумерная модель процесса периодического индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок в переменном электромагнитном поле, реализованная в программном пакете А^УБ и учитывающая, в отличие от известных, все основные качественные закономерности поведения взаимосвязанных электромагнитных, температурных полей, полей термонапряжений и упругопластических деформаций, что позволяет использовать предлагаемую модель при решении задач конечно-элементного анализа и оптимального управления процессами периодического нагрева в переменном электромагнитном поле с учетом основных технологических ограничений;

- алгоритм решения нелинейных задач программного оптимального по критериям быстродействия и точности управления численными двумерными моделями ПИНМ с учетом основных технологических ограничений, который, в отличие от известных, позволяет получить с максимально возможной точностью и за минимально возможное время заданное температурное распределение в условиях заданных ограничений на максимально допустимые температуру, термонапряжение и температурный перепад в процессе нагрева.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Проблемно-ориентированная на использование в оптимизационных процедурах численная модель полей термонапряжений и упругопластических деформаций в процессе нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока.

2. Проблемно-ориентированная на использование в оптимизационных процедурах численная двумерная модель взаимосвязанных электромагнитных и температурных полей, полей термонапряжений и упругопластических деформаций в процессе периодического индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок в переменном электромагнитном поле.

3. Алгоритм решения нелинейных задач программного оптимального по критериям быстродействия и точности управления ПИНМ с учетом основных технологических ограничений на максимально допустимые температуру, термонапряжения и температурный перепад в процессе нагрева.

4. Методика численного решения нелинейной задачи программного оптимального по быстродействию и точности управления процессом индукционного нагрева алюминиевых цилиндрических заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока, обеспечивающего достижение заданных температурных кондиций при ограничениях на максимально допустимые температуру и термонапряжение.

5. Методика численного решения нелинейной задачи программного оптимального по быстродействию и точности управления процессом периодического индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок, обеспечивающего достижение заданных температурных кондиций заготовки при ограничениях на максимально допустимые термонапряжение и температурный перепад в процессе нагрева.

Практическая полезность работы.

Разработанные в диссертации проблемно-ориентированные

электротеплопрочностные модели и методики синтеза алгоритмов оптимального по критериям быстродействия и точности управления с учетом технологических ограничений позволяют распространить общие теоретические положения точного метода решения краевых задач оптимизации систем с распределенными параметрами на типовые процессы периодического индукционного нагрева цилиндрических слитков в переменном электромагнитном поле и на инновационные электротехнологии нагрева заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока, что позволяет повысить производительность электротехнологических комплексов для пластической деформации металла при гарантированном обеспечении высокого качества нагреваемых изделий.

Результаты работы использованы для анализа эффективности в перспективных проектных разработках систем комплексного управления профильного и трубного производств на ЗАО «Алкоа СМЗ» (г. Самара) и в учебном процессе при подготовке в СамГТУ магистров по направлению 220400 «Управление в технических системах», а также в курсовом и дипломном проектировании бакалаврами по направлению 140100

8

«Теплоэнергетика и теплотехника» и магистрами по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Реализация результатов исследований. Полученные в работе теоретические положения и практические результаты использованы:

-при выполнении НИР «Теория и приложения точных методов синтеза алгоритмов оптимизации объектов с распределенными параметрами, гарантирующих заданные показатели качества», выполняемой по государственному заданию Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках темплана СамГТУ (2009-2010 гг., № темы 527/09);

- при выполнении НИР, проводимых СамГТУ в рамках Программы совместных научных исследований с Институтом Электротехнологий Университета им. Лейбница (г. Ганновер, Германия) в области оптимизации электротермических процессов;

- при выполнении НИР в рамках Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (2009-2011 гг., № темы 605/09, конкурс НК-66П).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:

XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 г.), V Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2008 г.), VII Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2010 г.), XII Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2010 г.), XV Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2013), I Международной научной конференции молодых ученых «Электротехника, Энергетика, Машиностроение» (Новосибирск, 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК России для опубликования результатов кандидатских диссертаций [1-3].

Структура и объе.м диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 105 наименований.

В первой главе проведен обзор современных промышленных технологий электронагрева металла в установках различного технологического назначения,

9

физических принципов действия и конструктивного исполнения, в результате которого выявлены основные преимущества, обусловливающие тенденцию увеличения удельной доли промышленных установок, предназначенных для индукционного нагрева металлических заготовок токами промышленной и повышенных частот в прессовом, прокатном и кузнечном производствах.

Выполнен обзор существующих типов промышленных установок, широко распространенных в промышленности для сквозного индукционного нагрева металлических полуфабрикатов перед последующими операциями пластической деформации в производственных электротехнологических комплексах обработки металлов давлением.

Рассмотрены основные электротехнологические процессы обработки металлов давлением, к которым, прежде всего, относятся ковка, штамповка, формовка, прессование и прокатка, необходимым условием реализации которых является выполнение технологических требований, предъявляемых к организации температурных режимов нагрева на предварительной стадии термической обработки металлических полуфабрикатов.

Во второй главе проанализированы современные тенденции в области численного моделирования электротехнологических процессов и систем, подтверждающие актуальность задачи разработки проблемно-ориентированных многомерных численных моделей взаимосвязанных электромагнитных полей, полей термонапряжений и упругопластических деформаций, которые, с одной стороны, обеспечивают требуемую точность описания реальных процессов, а, с другой стороны, позволяют существенно сократить время и ресурсы вычислений, что позволяет интегрировать их в оптимизационные процедуры на стадиях проектирования и модернизации ИНУ.

Проведен обзор основных методов численного моделирования, основанных на использовании электротепловых и прочностных моделей различной степени точности, представленных в виде сложных взаимосвязанных нелинейных многомерных систем уравнений, решение которых может быть реализовано только численными методами и требует большого объема машинного времени даже при использовании современной вычислительной техники. Наиболее распространенным методом численного анализа нелинейных многомерных полевых задач является метод конечных элементов.

Выполнен обзор и сравнительный анализ основных функциональных возможностей разработанных к настоящему времени программных средств моделирования взаимосвязанных электромагнитных, тепловых полей и полей термических напряжений.

В третьей главе представлена базовая нелинейная математическая модель, процесса индукционного нагрева, описывающая все основные электромагнитные, тепловые и термомеханические явления в типовых процессах индукционного нагрева металлических полуфабрикатов в переменном магнитном поле и в инновационных процессах, реализующих энергоэффективные электротехнологии нагрева заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока. Разработан алгоритм численного моделирования исследуемых процессов в наукоемком программном пакете А^УБ.

Разработаны проблемно-ориентированная численная модель полей термонапряжений и упруго-пластических деформаций в процессе нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока, и проблемно-ориентированная численная двумерная модель взаимосвязанных электромагнитных и температурных полей, полей термонапряжений и упруго-пластических деформаций в процессе периодического индукционного нагрева стальных цилиндрических заготовок в переменном электромагнитном.

Проведено параметрическое исследование разработанных численных моделей с целью выявления зависимости базовых характеристик температурных режимов от основных параметров индукционных нагревательных систем.

Проведена верификация и анализ разработанных моделей и обоснована необходимость постановки задачи оптимального управления процессами индукционного нагрева с учетом технологических ограничений.

В четвертой главе сформулирована двумерная нелинейная задача программного оптимального по критерию быстродействия управления температурными режимами индукционного нагрева цилиндрических заготовок и на базе альтернансного метода параметрической оптимизации разработан алгоритм её решения с учетом ограничений на максимально допустимые температуру, термонапряжение и температурный перепад в процессе нагрева.

Предложена кусочно-постоянная аппроксимация оптимальных алгоритмов и техническая реализация на базе современных технических и программных средств. Проведена оценка эффективности оптимизации температурных режимов индукционного нагрева с учетом технологических ограничений.

1 ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА ДАВЛЕНИЕМ

1.1 Промышленное применение технологий электронагрева

Повсеместное распространение и повышение доступности электрической энергии привело к тому, что в настоящее время электротехнологические установки вытесняют собой установки, использующие другие виды энергии. Электротехнологические установки требуют значительно меньше затрат на обслуживание, незаменимы там, где требуется достаточно высокая точность поддержания температуры и быстродействие.

К электротехнологическому оборудованию относятся:

- электронагревательные установки и электрические печи;

- электросварочные установки;

- электрофизические установки обработки металлов;

- электрохимические установки обработки металлов и т.д.

Электротехнологические процессы имеют ряд существенных отличий и преимуществ по сравнению с неэлектрическими (топливными) процессами. Одним из самых распространенных и наиболее часто используемых электротехнологических процессов является электронагрев. В свою очередь, электронагрев металлических изделий под дальнейшую обработку осуществляется с помощью различных нагревательных установок [38,55,102]. Они различаются, своей конструкцией, обусловленной, прежде всего, формой и размерами нагреваемого объекта и организацией производственного процесса. Основными преимуществами электротехнологического нагрева являются [37]:

• отсутствие влияния пламени горелки;

• возможность проведения процесса в различной атмосфере или в вакууме;

• возможность оптимального управления мощностью, током, напряжением и распределением энергии;

• получение высоких температур;

• высокое качество получаемых заготовок.

По характеру воздействия на заготовку все методы электронагрева делятся на прямые и косвенные.

По способу превращения энергии в тепло установки электронагреваделятся на: резистивные, индукционные, дуговые и установки диэлектрического нагрева.

Использование прямых методов нагрева, например индукционного, прямого резистивного и диэлектрического, основано на выделении тепловой энергии непосредственно внутри обрабатываемого материала, что избавляет от необходимости передачи тепла через его поверхность. Это обеспечивает следующие преимущества: высокие скорости нагрева, высокий термический КПД, большие удельные мощности, возможность организации локального нагрева заготовки.

Типичными методами косвенного нагрева являются косвенный резистивный и косвенный дуговой нагрев, в которых нагрев материала, в отличие от вышеописанных прямых методов, осуществляется передачей тепла через его поверхность. Это обстоятельство, как и в случае неэлектрического нагрева, является причиной ограничения удельных мощностей нагрева. Особенно ограничены удельные мощности при косвенном нагреве сопротивлением, тогда как при косвенном дуговом нагреве они относительно высоки вследствие высокой температуры плазменной дуги [37].

Индукционный нагрев широко используется в промышленности для нагрева различных материалов. Вместе с классическим применением этого метода для нагрева и плавки металлов широко внедряются новые электротехнологии нагрева металлических лент, поверхностной закалки, сварки труб, выплавки специальных сплавов типа Т1А1, варки стекол, жидкофазного синтеза тугоплавких оксидных материалов.

За последние годы значительно снизилась значимость прямого резистивного нагрева, который во многих случаях замещается индукционным нагревом. Причина заключается в том, что прямой резистивный нагрев, как правило, используется для нагрева заготовок только правильной формы (шины, ленты, провода). В настоящее время из-за сложности форм большинства заготовок, особенно в автомобильной промышленности, где очень много компонентов, которые необходимо подвергать термообработке, прямой резистивный нагрев был вытеснен индукционным [37].

Диэлектрический нагрев используется для нагрева материалов с низкими значениями удельной электропроводности и имеет большой потенциал применения, который на настоящий момент еще используется не полностью. Поскольку диэлектрический нагрев - прямой метод нагрева, он является быстрым и эффективным методом термообработки электрически низкопроводящих материалов, имеющих, как правило, еще и низкую теплопроводность. Традиционные неэлектрические методы нагрева заготовок с низкой теплопроводностью требуют достаточно много времени. Диэлектрический нагрев позволяет существенно сократить время нагрева, что ведет к повышению производительности и значительно меньшему потреблению энергии [37].

13

При прямом резистивном нагреве ток в заготовке возникает под действием электрического напряжения, приложенного к контактам, расположенным на концах заготовки. Для нагрева может использоваться как постоянный, так и переменный ток различной частоты. Величина тока, протекающего через заготовку, определяется удельной электрической проводимостью ее материала. В отличие от индукционного нагрева прямой резистивный нагрев является контактным.

Косвенный резистивный нагрев до сих пор сохраняет свое значение благодаря универсальности, широкой номенклатуре обрабатываемых материалов, разнообразию технологических схем применения. В настоящее время разработаны стандартные решения для печей различной мощности, рассчитанные на различные рабочие температуры [37].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Коршиков, Степан Евгеньевич, 2015 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Андреев Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов / Ю.Н. Андреев,— М.: Машиностроение, 1983.-229 с.

2. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. - M.-J1.: Энергия, 1965. - 552 с.

3. Базаров A.A. Построение численной модели нестационарного теплообмена цилиндрических заготовок при индукционном нагреве / A.A. Базаров, H.A. Базир, Л.С.Зимин // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки. - 2007. - №2 (20). - С. 181-183.

4. Бутковский А. Г. Методы управления системами с распределенными параметрами. -М.: Наука, 1975.-588 с.

5. Бутковский А.Г. Структурная теория распределённых систем.-М.: Наука, 1977.-480 с.

6. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределёнными параметрами / А.Г. Бутковский. - М.: Наука, 1965. - 474 с.

7. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределёнными параметрами/ А.Г. Бутковский. - М.: Наука, 1979. - 605 с.

8. Бутковский А.Г. Оптимальное управление нагревом металла / А.Г. Бутковский, С.А. Малый, Ю.Н. Андреев. -М.: Металлургия, 1972. - 439 с.

9. Бутковский А.Г. Управление нагревом металла / А.Г. Бутковский, С.А. Малый, Ю.Н. Андреев. - М.: Металлургия, 1981.- 271 с.

10. Бурак Я.И. Оптимизация переходных процессов в термоупругих оболочках / Я.И. Бурак, Ю.Д. Зозуляк, Б.В. Гера. - Киев: Наукова думка, 1984. - 156 с.

11. Григолюк Э.И Оптимизация нагрева оболочек и пластин / Э.И. Григолюк, Я.С. Подстригач, Я.И. Бурак. - Киев: Наукова думка, 1979. - 364 с

12. Данилушкин А.И.. Оптимальное управление процессом индукционного непрерывного нагрева: Автореф. дисс... канд. техн. наук. - Ленинград, 1979.-16 с.

13. Демидович В.Б. Программное обеспечение для моделирования и расчета индукционных нагревателей / В.Б. Демидович, Ф.В. Чмиленко// Индукционный нагрев. -2009. - №9.-С. 10-15.

14. Демидович В.Б. Оптимальное проектирование индукционных нагревателей с использованием численных моделей / В.Б. Демидович, Ф. В. Чмиленко, И.И. Растворова // Индукционный нагрев. -2011. - №15. - С. 6-10.

15. Егоров А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. -М.: Наука, 1978.-464 с.

16. Зинин Ю.М. Проектирование регулируемых тиристорных преобразователей повышенной частоты // Силовая электроника №4, 2008.

17. Заикина Н.В. Моделирование и оптимальное управление процессом индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока: : Автореф. дисс... канд. техн. наук. - Самара, 2010.-23 с.

18. Заикина Н.В. Оптимальное управление процессом индукционного нагрева металла с учетом ограничений / Н.В. Заикина, Ю.Э. Плешивцева // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Информатика, телекоммуникации, управление», № 2 (97) - Санкт-Петербург, 2010. - С. 39-48.

19. Зимин JT.C. Оптимальное проектирование систем индукционного нагрева в технологических комплексах обработки металла давлением: Автореф. дисс... докт. техн. наук-Л., 1987.-30 с.

20. Ильюшин A.A. Пластичность. Часть 1. Упруго-пластические деформации. М. -JL: ОГИЗ, 1948.-376 с.

21. Казаков A.A..Разработка и исследование алгоритмов и систем оптимального управления индукционным нагревом металла: Автореф. дисс... канд. техн. наук. -Куйбышев, 1975.-24 с.

22. Коломейцева М. Б. Методология и опыт применения цифрового моделирования для оптимизации процессов промышленного нагрева металла: Автореф. дис... доктора техн. наук. - М., 1986.-37 с.

23. Коломейцева М.Б. Оптимизация нагрева сплошного цилиндра в индукторе / М.Б.Коломейцева, С.А. Панасенко // Техническая кибернетика, Тр. МЭИ. - М.: МЭИ, 1972 вып. 95.-С. 139-143.

24. Коршиков С.Е., Заикина И.В., Рыбалко Г.С. Моделирование полей температур и термонапряжений в процессе нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока // Труды конференции молодых ученых, Выпуск 4: Математическое моделирование и программное обеспечение. - Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2009. -с. 127-132.

25. Коршиков С.Е. Параметрическая оптимизация температурного профиля нагреваемой заготовки перед прессованием// Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки, 2010., Вы п.№2 (26).-С. 196-203.

26. Коршиков С.Е. Моделирование полей упругих деформаций в процессе индукционного нагрева вращающихся заготовок // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Информатика.Телекоммуникации.Управление», - Санкт-Петербург, №1, 2012.

27. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Скоростные режимы индукционного нагрева и термонапряжения в изделиях: Монография. - Новосибирск: Изд.-во НГТУ, 2006. - 286 с.

28. Кувалдин А.Б. Скоростной индукционный нагрев металлических циллиндрических заготовок с учетом термонапряжений и упругопластических свойств / А. Б. Кувалдин, А. Р. Лепешкин // Электричество : Теорет. и науч.-практ. журн. - 2002. - №6. - С. 30-36.

29. Кувалдин А.Б. Расчет распределений температур, термических и остаточных напряжений при скоростной индукционной закалке/ А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин // Материалы международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках». Тверь, NUNE? 2004 - с. 64-68

30. Лелевкина Л.Г. Вариационный подход к решению задачи индукционного нагрева// Математические методы оптимизации систем с распределенными параметрами. - Фрунзе: Илим, 1975.-С. 96-109.

31. Лепешкин А.Р. Разработка эффективных режимов скоростного индукционного нагрева изделий с учетом термических напряжений: Автореф. дис... докт. техн. наук. - М, 2007, 40 с.

32. Лившиц М.Ю. Разработка и исследование адаптивной системы оптимального управления процессом индукционного нагрева металла с прогнозирующей моделью: Автореф. дис... канд. техн. наук. - Москва, 1982. - 19 с.

33. Лившиц М.Ю. Теория и алгоритмы оптимального управления термодиффузионными процессами технологической теплофизики по системным критериям качества: Автореф. дис... докт. техн. наук. - Самара, 2001. - 46 с.

34. Маковский В.А. Динамика металлургических объектов с распределенными параметрами / В.А. Маковский. - М., Металлургия, 1971, 384 с.

35. Малешкин Н.И. Алгоритмизация и автоматизация переходных режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева перед прессованием крупногабаритных слитков из алюминиевых сплавов: Автореф. дис... канд. техн. наук. -Куйбышев, 1986.-24 с.

36. Малый С.А. Экономичный нагрев металла - М., Металлургия, 1967, 191 с.

37. Наке Б. Теоретические основы и аспекты электротехнологий. Физические принципы и реализация.Интенсивный курс Основы I/ Наке Б., Баке Э., Лупи С., Дугиеро Ф., Форцан М., Барглик Д., Смальцеж А., Долега Д., Якович А., Павлов С., Алиферов А.И., Горева Л.П. - Спб.:СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012, 356 с.

38. Немков B.C. Теория и расчет устройств индукционного нагрева / B.C. Немков, В.Б. Демидович. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.-280 с .

39. Носов П.И. Моделирование и оптимизация режимов нагрева слитков из алюминиевых сплавов в индукционных установках полунепрерывного действия: Автореф. дисс... канд. техн. Наук. - Ленинград, 1982. - 20 с.

40. Одинг H.A. Структурные признаки усталости металлов как средство установления причин аварий машин. - М., Издательство Академии Наук СССР, 1949, 77 с.

41. Оськин А.Ф. К вопросу оптимизации режима нагрева заготовок прямоугольной формы /А.Ф. Оськин, H.A. Павлов // Изв. ЛЭТИ, 1973, вып. 114. - С. 46-52.

42. Павлов H.A. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей / H.A. Павлов. - М.-Л.: Энергия, 1978. - 120 с.

43. Павлов H.A. Управление нагревом в индукционной проходной печи / H.A. Павлов, H.H. Смирнов.- Известия ЛЭТИ, 1980, вып. 273, с. 43^18.

44. Плешивцева Ю.Э. Разработка и исследование пространственно-временных алгоритмов оптимального управления технологическими процессами тепломассопереноса: Автореф. дисс... канд. техн. наук. — Самара, 1996.-20 с.

45. Плешивцева Ю.Э. Сравнительный анализ программных продуктов ANSYS и Cédrat FLUX на примере моделирования проходной индукционной нагревательной установки / Ю.Э. Плешивцева, О.Ю. Шарапова, В.А. Медникова // XII Международная конференция «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» - Самара, 2011. - С. 78-84.

46. Простяков A.A. Индукционные нагревательные установки.- М.: Энергия, 1970. -120 с.

47. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. - М.: Металлургия, 1993. - 279 с.

48. Рапопорт Э.Я. Оптимальное по быстродействию управление нелинейными объектами технологической теплофизики / Э.Я. Рапопорт// Элементы и системы опт. идент. и упр. технолог. Процессом. - Тула, 1996. - С.81 - 91.

49. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. - М.: Наука, 2000, 336 с.

50. Рапопорт Э.Я. Оптимальное управление температурными режимами индукционного нагрева/ Э.Я. Рапопорт, Ю.Э. Плешивцева.-М.: Наука, 2012.-309 с.

51. Регалин С.М. Введение в теорию сверхпроводимости. М.,1981. 156 с.

52. Сегерлинд Л. Применение методов конечных элементов. - М.: Мир, 1979.

53. Синдяков Л.В. Оптимизация энерготехнологических характеристик установившихся режимов работы индукционных установок непрерывного дейстаия для нагрева стальных заготовок: Автореф. дисс... канд. техн. наук. - Ленинград, 1984. - 19 с.

54. Слухоцкий А.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей /А.Е. Слухоцкий, С.Е. Рыскин. - Л.: Энергия, 1975. - 183 с.

55. Слухоцкий А.Е. Установки индукционного нагрева / А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков, Н.А. Павлов. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. Отделение 1981. - 328 с.

56. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. - М.: Металлургиздат, 1962. - 561 с.

57. Термоупругость электропроводных тел/ Я.С. Подстригач, Я.И.Бурак, А.Р. Гачкевич и др. - Киев: Наукова думка, 1977. - 248 с.

58. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости 2-е изд. - М.: Наука, 1979. - 560 с. -Пер. с англ. - Под ред. Г.С. Шапиро

59. Тозони О.В. Математические модели для расчета электрических и магнитных полей. -Киев: Наукова думка, 1964.-304с.

60. Шарапова О.Ю. Численное моделирование и оптимальное управление процессами индукционного нагрева цилиндрических заготовок под обработку давлением: Автореф. дисс... канд. техн. наук. - Самара, 2011.-23 с.

61. Шарапова О.Ю. Оптимальное управление многомерными моделями периодического процесса индукционного нагрева // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Информатика. Телекоммуникации. Управление», - Санкт-Петербург, 2011. - С. 31 - 35.

62. Шевченко С.Ю., Окунь А.А. Анализ методов расчета электрических полей установок высоких напряжений // Электротехника и электромеханика №4, 2010.

63. Эдельман К.М. Физика низких температур, 1992. 230 с.

64. Яицков С.А. Ускоренный изотермический индукционный нагрев кузнечных заготовок. - М.: Машгиз, 1962, 96 с

65. Araneo R., Dughiero F., Fabbri М., Forzan М., Geri A., Morandi A., Lupi S., Ribani P.L., Veca G. Electromagnetic and thermal analysis of induction heating of billets by rotation in DC magnetic field // Proceedings of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources - Padua. - 2007. - Pp. 487-496.

66. Bauer, Т., Henneberger, G. (1999). Three-dimensional calculation and optimization of the acoustic field of an induction furnace caused by electromagnetic forces, IEEE Trans. Magnetics, 35, pp. 1598-1601.

67. Biro, O., Preis, K. (1990). Finite element analysis of 3-D eddy currents, IEEE Trans. 70

68. Chari, M.V.K. (1970) Finite element analysis of nonlinear magnetic fields in electric machines, Ph.D. Diss., McGill University.

69. Choi, M.J., Park, I.-H. (1999). Transient analysis of magnetodynamic systems using Fourier Transform and frequency sensitivity, IEEE Trans. Magnetics, 35, pp. 1155-1158.

70. Di Barba, P., Forghani, В., Lowther, D.A. (2004). Discrete-valued design optimization of a multiple coil inductor for uniform surface heating, Int. Symp. on Heating by EM Sources HES-04, June 23-25, Padua Italy.

71. Eustache, P., Meunier, G., Coulomb, J.L. (1996). Finite element toolbox for generic coupling (magnetic, thermal, etc.), IEEE Trans. Magnetics, 32, pp. 1461-1464.

72. Fabbri M., Morandi A., Ribani P. DC induction heating of aluminum billets by means of superconducting magnets // Proceedings of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources - Padua. - 2007. - Pp. 505-512.

73. Fawzi, T.H., Ali, K.F., Burke, P.E. (1983). Boundary integral equation analysis of induction devices with rotational symmetry, IEEE Trans. Magnetics, 19, pp. 36-44.

74. Foggia, A., Sabonnadiere, J.C., Silvester, P. (1975). Finite element solution of saturated traveling wave magnetic field problems, IEEE Trans. Power App. & Syst., 94, pp. 866-871.

75. Hegewaldt, F. (1963). Berechnung der stromverdrangung nach einem differenzenverfahren, Paper 632. V. UIE Congress, Wiesbaden.

76. Hiltunen I., Stenvall A., Korpela A., Lehtonen J., Mikkonen R., Runde M., Magnusson N., Kalkowski G. Cryogenic design of the ALUHEAT project // CP985, Advances in Cryogenic Engineering: Transactions of the Cryogenic Engineering Conference—CEC, Vol 53. - Pp. 10151022.

77. Horii, M., Takahashi, N., Narita, T. (2000). Investigation of evolution strategy and optimization of induction heating model, IEEE Trans. Magnetics, 36, pp. 1085-1088.

78. Korshikov S. Problem Oriented Simulation of Heating Stage in Technological Chain for Metal Hot Forming/ Korshikov S., Pleshivtseva Yu., Makarov E.

79. Lavers, J.D. (1983). Numerical solution methods for electroheat problems, IEEE Trans. Mag., 19, pp. 2566-2572.

80. Lavers, J.D. (1989). Computational methods for the analysis of molten metal electromagnetic confinement systems, IS I J Int., 29, pp. 983-1005.

81. Lavers J.D. (2008) State of the art of numerical modeling for induction processes, The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Volume 27 issue 2, pp. 201-212

82. Lupi, S. (2003). Modelling for research and industrial development in induction heating, Int. Conf. on EM Processing of Material EPM 2003, Oct. 14-17, Lyon France.

83. Lupi S., Forzan M. A promising high efficiency technology for the induction heating of aluminium billets // Proc. UIE Krakow, Poland, May 2008. - Pp. 19-20.

84. Magnusson N. Prospects for rotating billet superconducting induction heating // Proceedings of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources - Padua. - 2007. - Pp. 479-486.

85. Magnusson N., Runde M. A 200 kW MgB2 Induction Heater Project // EUCAS 2006: Journal of Physics: Conference Series 43, 2006. - Pp. 1019-1022.

86. Magnusson N., Runde M. Applying superconductors to electromagnetic processes // Proceedings of the Electromagnetic Processing of Materials International Conference - France -2003.

87. Masur Larry, Bührer C., Kellers J., Fülbier C., Steinhauer A., Hahn I., Witte W. Operational experience of a highly efficient induction billet heater: improving energy efficiency with superconductivity // Proc. 9th International aluminium extrusion technology seminar ET'08, Orlando, Florida USA, May 13 - 16, 2008.

88. Mühlbauer, A. (1967). Über die elektrodynamischen kräfte in der schmelze von induktionsöfen, Elektrowärme Int. B, 25, pp. 461-473.

89. Muelbauer A. (Hrsg.): Industrielle Elektrowärmetechnik. Essen: Vulkan-Verlag, 1992. 400 p.

90. Muelbauer A. History of Induction Heating and Melting, Vulkan-Verlag, Essen, 2008, p.202.

91. Muiznieks, A., Krauze, A., et al (2004). State of the art of numerical modelling of industrial single crystal CZ and FZ growth, Int. Symp. on Heating by EM Sources HES-04, June 23-25, Padua Italy.

92. Nacke B., Zlobina M., Nikanorov A., Ulferts A. Numerical simulation of induction heating of aluminium billets by rotation in DC magnetic field // Proceedings of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources - Padua. - 2007. - Pp. 497-504.

93. Rudnev V.l. et al. Handbook of Induction Heating. Marcel Dekker, New York, 2003.

94. Rudnev,V., Brown,D., Van Tyne, Ch., Clarke,K., Intricacies for the successful induction heating of steels in modern forge shops, Proc. of 19th Int. Forging Congress, Chicago, 2008, p.71-82.

95. Rudnev,V., Simulation of Induction Heating Prior to Hot Working and Coating, ASM Handbook series, vol. 22B: Metals Process Simulation, editors D.U.Furrer and S.L.Semiatin, ASM Int., 2010, p.475-500.

96. Runde M., Stenvall A., Magnusson N., Grasso G., Mikkonen R. MgB2 coils for a DC superconducting induction heater // EUCAS 2007: Journal of Physics: Conference Series 97, 2008.

97. Tsukerman, I.A., Konrad, A., Bedrosian, G., Chari, M.V.K. (1995). A survey of numerical methods for transient eddy current problems, IEEE Trans. Magnetics, -29, pp. 1711-1716.

98. Pleshivtseva Yu., Rapoport E., Efimov A., Nacke B., Nikanorov A. Special Method of Parametric Optimization of Induction Heating Systems // International Scientific Colloquium Modelling for Electromagnetic Processing, Hannover, October 27-29, 2008. - Pp. 229-234.

99. Yu. Pleshivtseva, N. Zaikina, B.Nacke A.Nikanorov. Time-optimal control of energy-efficient heating of aluminum billets rotating in DC magnetic field. // Przegrad Electrotechniczy (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 84 NR 11/2008, pp. 120-123.

100.Pleshivtseva Yu., Zaikina N., Nacke B., Ulferts Al. Optimal control of the induction heating processes with consideration for main technological requirements // Papers of II International APIH-09 Actual problems of induction heating. St. Petersburg, May 20-22, 2009, pp. 195-206

101.Yu. Pleshivtseva, E.Rapoport, A. Efimov, B.Nacke, A.Nikanorov. Optimal design and control of induction heaters for forging industry // Proceedings International Seminar "Heating by Electromagnetic Sources" HES-07, Padua, Italy, June 19-22, 2007. p. 251-258

102. Yu Pleshivtseva, E. Rapoport Optimization of Induction Heaters Design and Operating Modes // - CRC Press, Taylor &Francis Group, 6000 Broken Sound Pkwy NW, Suite 300, Boca Raton, Florida, 2006. - 376 pp.

103.Ulferts A., Nacke B. ALUHEAT - A superconducting approach of an aluminium billet heater // International Scientific Colloquium Modelling for Electromagnetic Processing, Hannover, October 27-29, 2008. - Pp. 71-76.

104.Zlobina M., Nacke B., Nikanorov A. Adaptive induction system for heating of aliminium billet by rotation in DC magnetic field // Proc.: International Scientific Colloquium "Modeling for electromagnetic Processing". - Hannover, Germany, 2008, pp.349-354.

105.http:// www.ansys.com